DE2637952B2

DE2637952B2 - Kraftmeßelement zur Bildung einer KraftmeBplattform

Info

Publication number: DE2637952B2
Application number: DE2637952A
Authority: DE
Inventors: Peter Kleinandelfingen Wolfer (Schweiz)
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1975-09-26
Filing date: 1976-08-24
Publication date: 1980-05-14
Also published as: FR2325916B1; FR2325916A1; GB1512133A; DE2637952A1; DE2637952C3; AT382461B; CH587475A5; US4088015A; ATA628476A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftmeßelement, das relativ starr ausgebildet »st und Kräfte unter relativ sehr geringen Verformungen des eigentlichen Meßwandlers zu erfassen gestattet und das zwischen eine Grundplatte oder dergleichen und eine die zu messenden Kräfte aufnehmende und auf das Kraftmeßelement übertragende Kraftaufnahmeplatte einzubauen ist, wodurch eine Kraftmeßplattform gebildet wird, wobei das Kraftmeßelement mit zwei zueinander planparallelen Krafteinleitflächen versehen ist, die an je einer der Platten anliegen.

Kraftmeßelemente zum Aufbau von Kraftmeßplattformen sind bekannt (DE-OS 19 52 522). Die Kraftaufnahmeplatte ist mit der Grundplatte unter Zwischenlage allein der Kraftmeßelemente, die starr ausgebildet sind, starr verbunden. Dabei sind die Kraftaufnahmeplutte und die Grundplatte mittels durchgehender Schrauben miteinander verspannt, die einerreits die beiden Platten miteinander zur Plattform verbinden und die andererseits eine Vorspannung für die Kraftmeßelemente ergeben; ohne derartige Vorspannung könnten die Kraftmeßelemente nur Druckkräfte und keine Zugkräfte erfassen.

Derartige Kraftmeßplattformen dienen beispielsweise zu biomechanischen Messungen ebenso wie zur Erfassung von Aufprall- oder Abstoßvorgängen. Die Starrheit der Anordnung bzw. der Kraftmeßelemente ist so zu verstehen, daß bei Belastung im Meßbereich nur Verformungen entsprechend der Größenordnung der Gitterstruktur eines Kristalles auftreten. Verformungen sind also makroskopisch praktisch nicht feststellbar. Diese Starrheit ergibt auch eine hohe Eigenfrequenz, die zwischen mehreren kHz und mehreren 100 kHz liegen kann.

Solange die Kraftmeßplattform eine handliche Größe aufweist, die einen Transport zuläßt, ist ihre Handhabung unproblematisch, da sie fertig montiert und kalibriert vom Herstellwerk bezogen werden kann. Werden jedoch sehr große Kraftmeßplattformen benötigt, mit denen beispielsweise die bei Aufprallvorgangen von Automobilen auftretenden Kräfte erfaßt werden, so läßt sich keine im Werk fertig hergestellte und kalibrierte Kraftmeßplattform verwenden. Selbst wenn eine solche Kraftmeßplattform noch transportabel wäre, würden doch die Beanspruchungen während des Transports die Kalibrierung möglicherweise beeinträchtigen. Eine Kalibrierung ist jedoch erforderlich, weil aufgrund der die beiden Platten miteinander verbindenden Schrauben, die gleichzeitig die Vorspannung für die Kraftmeßelemente liefern, ein Kraftneben-Schluß gebildet wird, durch den ein durch die Kalibrierung erfaßter Anteil der von der Kraftaufnahmeplatte auf die Grundplatte übertragenen Kraft am Kraftmeßelement vorbeifließt. Es ändert sich also die Empfindlichkeit der Kraftmeßplattform in Abhängigkeit des von den Verbindungs- und Vorspannschrauben aufgenommenen Kraftnebenflusses.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Kraftmeßelemente zum Aufbau einer Kraftmeßplattform so auszubilden, daß keine Kalibrierung der Kraftmeßplattform erforderlich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Kraftmeßelement mit Befestigungselementen versehen ist, die innerhalb der Krafteinleitflächen des Kraftmeßelements angeordnet sind, die jeweils nur mit der Grundplatte oder dergleichen bzw. der Kraftaufnahmeplatte in Wirkverbindung zu bringen sind und die achssymmetrisch angeordnet sind, daß alle Befestigungselemente von der Seite der Kraftaufnahmeplatte aus zugänglich sind, wobei der Zugang zu den

w) Befestigungselementen für die Grundplatte oder dergleichen über eine zentrale Bohrung im Kraftmeßelement erfolgt, und daß die Krafteinleitflächen des Kraftmeßelements innerhalb eines deutlich kleineren Kreises liegen als dazu parallele Querschnittsflächen in

^hr' dem den eigentlichen Meßwandler enthaltenden Bereich.

Durch die Erfindung ist es möglich, Kraftmeßplattformen mit Kraftmeßelementen aufzubauen, ohne daß eine

nachträgliche Kalibrierung erforderlich ist, weil nämüch kein Kraftnebenschluß vorhanden ist Es genügt, wenn die Kenndaten der KraftmeSelemente bekannt sind. Dadurch lassen sich auch große und nicht mehr transportable Kraftmeßplattformen an Ort und Stelle zusammenbauen, ohne daß das Problem einer Kalibrierung auftritt Auch gestaltet sich die Montage der Kraftmeßelemente an der Grundplatte und der Kraftaufnahmeplatte aufgrund der Zugänglichkeit der Befestigungselemente von derselben Seite her problemlos. Es lcAnn also die Grundplatte beispielsweise eine einbetonierte Platte sein, die nicht von der Rückseite her zugänglich ist

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kraftmeßelement zwei Kraftübertragungsflansche zur Verbindung mit der Grundplatte bzw. der Kraftaufnahmeplatte und eine zwischen den Kraftübertragungsflanschen angeordnete Piezomeßzelle auf und es ist das Vorspannelement als zentraler, innenliegender Rohrabschnitt ausgebildet Die Piezomeßzelle umgibt ringförmig den als Vorspannelement dienenden Rohrabschnitt, der gleichzeitig als zentrale Bohrung dient, die einen Zugang zu den Befestigungselementen an der Grundplatte bildet Dies ergibt eine besonders zweckmäßige und einfache Ausbildung des Kraftmeßelementes und eine bequeme und zuverlässige Montagemöglichkeit des Kraftmeßelementes an der Grundplatte.

Bevorzugt ist die Piezomeßzelle als Mehrkomponenten-Piezomeßzelle ausgebildet Dadurch lassen sich verschiedene Komponenten gleichzeitig erfassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die an der Kraftaufnahmeplatte anliegende Krafteinleitfläche in der neutralen Ebene der Kraftaufnahmeplatte und es ist diese hierzu mit einer entsprechenden Ansenkung versehen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erzielt, daß möglicherweise bei Belastung auftretende Verbiegungen der Kraftaufnahmeplatte nur eine möglichst geringe Schubwirkung auf das Kraftmeßelement zur Folge haben können.

Zur Herstellung großer Meßplattformen werden diese in Einzelplattformen unterteilt, von denen jede aus der Kraftaufnahmeplatte und einer Mehrzahl von in entsprechender Geometrie angeordneter Kraftmeßelemente besteht. Die Kraftaufnahmeplatten mit den zugeordneten Kraftmeßelementen werden auf der Grundplatte so montiert, daß eine möglichst plane Anlage der Krafteinleitflächen erzielt wird. Mit derartigen Einzelplattformen lassen sich Großplattformen zusammenstellen, die eine genaue Erfassung von Aufprallvorgängen in einer oder mehreren Komponentenrichtungen gestatten. Aufgrund der relativen Starrheit der Anordnung werden die zu messenden Vorgänge hinsichtlich ihrer Amplitude praktisch nicht verfälscht. Aufgrund der hohen Eigenfι equenz der Meßplattform wird auch das dynamische Verhalten des Testobjektes durch die Plattform nicht merklich verändert

Die Erfindung ermöglicht es erstmalig, große Aufprall- oder Kraftmeßplattformen zu schaffen, die aus einer Mehrzahl von Einzelplattformen bestehen, die zu einem Mosaik zusammengefügt werden, wobei alle Einzelplattformen und Kraftmeßelemente von der Krafteinleitseite her montiert werden können. Durch das Ausschließen jeglicher zu den Kraftmeßelementen paralleler Kraftflüsse brauchen in dieser Art aufgebaute Kraftmeßplattformen nicht nachkalibriert werden.

In der Zeichnung sind eine Kraftmeßzelle mit üblicher Kraftübertragung und Kraftmeßelemente mit Kraftübertragung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine übliche Kraftmeßzelle in üblicher Einbauweise,

Fig.2 ein Kraftmeßelement mit Montageanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig.3 ein Kraftmeßelement mit Montageanordnung gemäß einem weiteren Ausfühningsbeispiel der Erfindung.
Bei dem in F i g. 1 dargestellten Teil-Schnitt durch

ίο eine Kraftmeßplattform sind eine Kraftaufnahmeplatte 1 und eine Grundplatte 2 vorgesehen, zwischen denen sich ein Kraftmeßelement 3 befindet Dieses Kraftmeßelement 3 weist auf der der Grundplatte 2 zugewandten Seite eine plane Montagefläche 4 auf, wogegen die gegenüberliegende Fläche die Gestalt einer Kalotte aufweist und als Krafteinleitfläche 5 dient; durch die Kugeloberfläche wird das Einleiten von Biegemomenten unterdrückt Enthält das Kraftmeßelement 3 eine Dehnmeßstreifenanordnung, so müssen auch Kräfte, die nicht in der Richtung Z verlaufen, ferngehalten werden, weil sie zu Meßfehlern führen. Es /nüssen daher für die Seitenpositionierung der Kraftaufnahmeplatte 1 zusätzliche Elemente vorgesehen werden, die eine Übertragung nur von Kräften in Richtung Z zulassen. Diese zusätzlichen Elemente, die hier nicht dargestellt sind, bilden aber Parallelwege für den Kraftfluß, so daß durch das Kraftmeßelement nur ein Teil des Kraftflusses verläuft, was dazu zwingt, daß das Verhältnis der Kraftflüsse zueinander bestimmt wird, um aus dem gemessenen, das Kraftmeßelement 3 durchsetzenden Kraftfluß die auf die Kraftaufnahmeplatte 1 wirkende Gesamtkraft bestimmen zu können. Zur Montage des Kraftmeßelementes 3 ist ein Flansch 6 vorgesehen, der mittels einer Reihe von Schrauben 7 mit der Grundplatte 2 verschraubt ist. Kraftlinien 8 der Schrauben 7 und Kraftlinien 9 der Meßkraft P liegen in verschiedenen, voneinander abgrenzbaren Flächen, was zu Unsicherheiten und Ungenauigkeiten führt.

Gemäß der Anordnung nach F i g. 2 ist ein Kraftmeßelement 23 zwischen der Kraftaufnahmeplatte 1 und der Grundplatte 2 angeordnet. Das Kraftmeßelement 23 hat nahezu die an sich ideale Gestalt einer Kugel, die die Ausschaltung von Herstell- und Montageungenauigkeiten erleichtern würde, die jedoch herstellungstechnisch Schwierigkeiten bereitet. Es sind daher zur Annäherung an diese Idealform Montageflächen 14 und 15 im Durchmesser wesentlich kleiner als der maximale Querschnitt senkrecht zu. Z-Richtung. Montageschrauben 18 und eine zentrische Befestigungsschraube 19 sind

so koaxial zur Empfindlichkeitsachse Z des Kraftmeßelementes 23 angeordnet, wobei sowohl die Montageschrauben 18 als auch die Befestigungsschraube 19 von der Seite der Kraftaufnahmeplatte 1 her zugänglich und montierbar sind. Dies ist hinsichtlich der das Kraftmeßelement 23 mit der Grundplatte 2 verbindenden zentralen Befestigungsschraube 19 dadurch erreicht, daß das Kraftmeßelement 23 mit einer zentralen Bohrung versehen ist, die in der Nähe der Grundplatte 2 einen Bund aufweist, auf der der Kopf der Befestigungsschraube 19 anliegt, wenn diese durch den Rest der Bohrung hindurchgesteckt und in eine Gewindebohrung in der Grundplatte 2 eingeschraubt wird. Kraftlinien 20 der zu messenden Kraft P und Kraftlinien 21, 22 der Vorspannkraft der Montageschrauben durchsetzen

b^r> denselben Querschnitt. Dies hat den großen Vorteil, daß die Kraftmeßelemente 23 einer ganzen Kraftmeßplattform im Herstellwerk fertig kalibriert werden können, weil der gesamte Kraftfluß durch die Kraftmeßelemente

23 geführt ist und keine Kraftnebenschlüsse vorhanden sind. Auch können durch die Montage praktisch keine Fehler in das Meßsystem eingeführt werden, die z. B. auf Spaltfederwirkung beruhen könnte. Spaltfederwirkungen treten bei aufeinander gepreßten Scheiben infolge deren niemals völlig erzielbarer Planparallelität auf, wenn die Scheiben beispielsweise bei stoßartiger Belastung oder bei Schwingungsbelastung die zwischen ihnen befindlichen Spalte seitlich und räumlich verändern. Die auftretende Reibungsdämpfung ist relativ hoch und außerdem von der Belastung abhängig. Die im Querschnitt relativ kleinen Montageflächen 14, 15 verhindern Verbiegungen beim Einbau, die ihrerseits Rückwirkungen auf den Meßwandler 16 haben könnten, der innerhalb des Kraftmeßelementes 23 angeordnet ist. Um zu erreichen, daß möglicherweise auftretende Durchbiegungen der Kraftaufnahmeplatte 1 eine möglichst geringe Schubwirkung auf das Kraftmeßelement 23 ausüben, ist die Montagefläche 15 um eine Vertiefung t so in die Oberfläche der Kraftübertragungsplatte 1 eingesenkt, daß sie s«ch in der Nähe einer neutralen Zone 11 der Kraftaufnahmeplatte 1 befindet. Die Lage der neutralen Zone kann in bekannter Weise durch Rechnung ermittelt werden; sie braucht nicht mit der Mittelebene der Kraftübertragungsplatte 1 zusammenfallen. Die erfindungsgemäße starre Kraftmeßplattform kann nur mit Kräfte messenden, nicht aber mit Dehnungen messenden Kraftmeßelementen ausgeführt werden, also nur mit relativ starren Kraftmeßelementen. Ganz besonders eignen sich hierzu piezoelektrische Meßelemente, die in der Ausführung als Einkomponentenmeßzelle relativ unempfindlich gegenüber Biege- und Schubkräften sind. Außerdem ergeben diese Meßelemente oder Meßzellen durch ihre hohe mechanische Belastbarkeit und relative Starrheit auch bei eine große Masse aufweisenden Kraftaufnahmeplatten 1 ausreichend hohe Eigenfrequenzen, die ihrerseits die Gewähr dafür bieten, daß Aufprallvorgänge durch die Meßanordnung hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens nicht beeinflußt werden. Dadurch wird erreicht, daß

ίο nicht durch den Meßvorgang selbst der zu messende Vorgang verändert wird. Es muß also die Kraftmeßplattform ausreichend starr sein und eine solche Eigenfrequenz aufweisen, die weit über der maximalen zu messenden Frequenz liegt.

Bei der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform umfaßt das Kraftmeßelement einen oberen Kraftübertragungsflansch 31, eine ringförmige, handelsübliche Mehrkomponenten-Piezomeßzelle 32, einen unteren Kraftübertragungsflansch 33 und ein rohrförmig ausgebildetes Vorspannglied 34. Die Befestigungsschraube 19 ist durch das Vorspannglied 34 gesteckt und kann wiederum von der Kraftaufnahmeplatte 1 her montiert werden. Die hohen Anpreßkräfte, die bei den relativ kleinen Montageflächen zu erzielen sind, gewährleisten

gleichzeitig mit der Übertragung von Kräften in der Z-Richtung auch die Übertragung hoher Kräfte in der X- und der V-Richtung, die als Schubkräfte auftreten. Eine obere Montagefläche 36 befindet sich wiederum möglichst nahe an der neutralen Zone 11. Anstelle einer Mehrkomponentenpiezomeßzelle kann auch eine ringförmige Einkomponenten-Piezomeßzelle 32 treten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Kraftmeßelement, das relativ starr ausgebildet ist und Kräfte unter relativ sehr geringen Verformungen des eigentlichen Meßwandlers zu erfassen gestattet und das zwischen eine Grundplatte oder dergleichen und eine die zu messenden Kräfte aufnehmende und auf das Kraftmeßelement übertragende Kraftaufnahmeplatte einzubauen ist, wodurch eine Kraftmeßplattform gebildet wird, wobei das Kraftmeßelement mit zwei zueinander planparallelen Krafteinleitflächen versehen ist, die an je einer der Platten anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftmeßelement (23; 31—34) mit Befestigungselementen (18, 19) versehen ist, die innerhalb der Krafteinleitflächen (14, 15; 36) des Kraftmeßelements (23; 31-34) angeordnet sind, die jeweils nur mit der Grundplatte (2) oder dergleichen bzw. der Kraftaufnahmeplatte (1) in Wirkverbindung zu bringen sind und die achssymmetrisch angeordnet sind, daß alle Befestigungselemente von der Seite der Kraftaufnahmeplatte (1) aus zugänglich sind, wobei der Zugang zu den Befestigungselementen für die Grundplatte (2) oder dergleichen über eine zentrale Bohrung im Kraftmeßelement erfolgt, und daß die Krafteinleitflächen (14, 15; 36) des Kraftmeßelements innerhalb eines deutlich kleineren Kreises liegen als dazu parallele Querschnittsflächen in dem den eigentlichen Meßwandler (16;32) enthaltenden Bereich.

2. Kraftmeßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Kraftübertragungsflansche (31,33) zur Verbindung mit der Grundplatte (2) bzw. der Kraftaufnahmeplaite (1) und eine zwischen den Kraftübertragungsflanschen angeordnete Piezomeßzelle (32) aufweist, und daß das Vorspannelement (34) als zentraler, innen liegender Rohrabschnitt ausgebildet ist.

3. Kraftmeßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezomeßzelle als Mehrkomponenten-Piezomeßzelle (32) ausgebildet ist.

4. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kraftaufnahmeplatte (1) anliegende Krafteinleitfläche (15 bzw. 36) sich in der neutralen Ebene der Kraftaufnahmeplatte (1) befindet und diese hierzu mit einer entsprechenden Ansenkung (t) versehen ist.

5. Kraftmeßelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kraftaufnahmeplatte (1) bzw. der Grundplatte (2) angreifenden Befestigungselemente als Schrauben ausgebildet sind.